Припои. Какой выбрать для пайки?

Недостатки

Каждый материал вне зависимости от его основного назначения, обладает рядом плюсов и минусов. Припой без содержания свинца в составе не является исключением. Его популярность использования обусловлена следующими  преимуществами:

• высокий уровень безопасности для экологии и человеческого организма;
• отсутствие в химическом составе вредных, токсичных веществ;
• повышенная степень электропроводности;
• материал, особенно тот, который состоит их чистого олова, обладает повышенным уровнем смачиваемости;
• большой ассортимент моделей припоев от разных производителей;
• модели, имеющие в составе медь в качестве дополнительного элемента, достаточно стойки к влиянию высокой температуры.

Минусы:

• если проводить параллели со свинцовыми сплавами, соединения олова с различными дополнительными элементами значительно понижает уровень смачиваемости, относительно свинцовых моделей припоев;
• бессвинцовый припой, несмотря на достаточно хорошую способность к проводимости электрического тока, нельзя использовать в технике, из-за проявляющегося недостатка, в виде роста так называемых «усов», которые подвержены возникновению разного рода трещин;
• из-за повышенной отметки точки температурного плавления,  данный вид материала нельзя использовать при пайке тонкого или чувствительного к высоким температурам металла, так как это негативно повлияет на физические свойства и целостность материала.

• У сплавов олова с другими металлами понижается смачиваемость, в сравнение со свинцовыми;
• Нет возможности использовать в электронике, несмотря на высокую электропроводность, так как во время термоциклирования здесь образуется рост «усов» и появляется интерметаллическая поверхность, на которой потом возникают трещины;
• Температура плавления бессвинцового припоя является относительно высокой, как для пайки, что не позволяет использовать его для тонких металлов и чувствительных к термообработке.

Разновидности

С содержанием меди. Эта разновидность была создана для того, чтобы спаивать печатные платы. Это осуществляется волной припоя. Но он имеет более низкие механические качества в наплавленном состоянии, если сравнивать с другими разновидностями. Также не всегда требуется столь высокая температура плавления.

Бессвинцовый припой с содержанием меди

С содержанием серебра. Припой оловянный бессвинцовый является одной из самых популярных разновидностей. Они обладают высокими качествами спаивания, а также хорошими механическими характеристиками в наплавленном состоянии. Температура плавления их достигает более 220 градусов Цельсия. Это один из немногих вариантов, надежность которого может конкурировать со свинцовыми припоями.

Бессвинцовый припой с содержанием серебра

Многосоставный сплав меди, серебра и олова. Трехкомпонентный состав применяется долгое время, так как он был изобретен еще до появления серебряных припоев. У него более низкая температура плавления. Большую часто состава занимает олово, которое достигает более 90%. Здесь наблюдается хорошее свойство спаивания, а также повышенная крепость соединения. Исходя из экономических соображений, он является наиболее выгодным.

Висмут, серебро и олово. В нем наиболее низкая температура плавления, что улучшает способности к спаиванию, но понижает температурный предел эксплуатации. Спаивание у него наиболее высокое среди бессвинцовых разновидностей, тогда как смачиваетесь не всегда себя хорошо проявляет.

Химический состав

Выделяется несколько примеров содержание элементов в сплаве относительно металла, который используется как добавка, хотя в каждой марке оно может быть свое.

Особенности выбора

Выбор подходящей марки зависит от состава бессвинцового припоя.

В большинстве случаев олово занимают основное место в составе, так что его характеристики больше всего влияют на общие свойства. Чем его больше, тем мягче будет проходить спаивание, но будет ниже крепость соединения. Также у него ниже температура плавления. Материал в итоге получается очень мягким.

Повышение количества меди в составе увеличивает температуру плавления и твердость. Ее зачастую немного, но даже нескольких процентов вполне достаточно, чтобы изменить характеристики состава. Серебро также повышает температуру плавления и крепость, но делает это более мягко. Его наличие в составе позволяет повысить качество шва без особых негативных моментов, но он же влияет и на стоимость марки.

Особенности пайки

У многих может возникнуть вопрос, как паять бессвинцовым припоем. Здесь нет больших отличий от стандартной процедуры. Требуется подготовить поверхность металла, расплавить припой и нанести его на спаиваемую часть. Затем нужно дать остыть и проверить качество соединения. Особенностью является температура пайки бессвинцовым припоем, так как она ниже и соответственно, подогрев должен производиться в другом режиме.

Описание

Припои выпускаются в виде гранул, прутков, проволоки, порошка, фольги, паст и закладных деталей.

Пайку осуществляют или с целью создания механически прочного (иногда герметичного) шва, или для получения электрического контакта с малым переходным сопротивлением. При пайке мест соединения припой нагревают свыше температуры его плавления. Так как припой имеет температуру плавления ниже, чем температура плавления соединяемого металла (или металлов), из которых изготовлены соединяемые детали, то он плавится, в то время как металл деталей остаётся твёрдым.

На границе соприкосновения расплавленного припоя и твёрдого металла происходят различные физико-химические процессы. Припой смачивает металл, растекается по нему и заполняет зазоры между соединяемыми деталями. При этом компоненты припоя диффундируют в основной металл, основной металл растворяется в припое, в результате чего образуется промежуточная прослойка, которая после застывания соединяет детали в одно целое.

Выбирают припой с учётом физико-химических свойств соединяемых металлов (например, по температуре плавления), требуемой механической прочности спая, его коррозионной устойчивости и стоимости. При пайке токоведущих частей необходимо учитывать удельную проводимость припоя.

Жидкотекучесть низкотемпературных припоев даёт возможность паять изделия сложной формы.

Классификация припоев

1. Припои для пайки без содержания свинца делятся на несколько основных типов, можно рассмотреть наиболее часто используемые.
2.  В качестве дополнительного элемента используется медь. Припой данного вида был создан для пайки печатных плат. Это выполняется с помощью волны припоя. Однако, если проводить параллели с другими версиями бессвинцового припоя, данная обладает пониженным свойством прочности. Также этот тип требует плавления при высокой температуре, что не всегда требуется.
3. В качестве дополнительного элемента используется серебро. Данный вид оловянного припоя, где свинец в химическом составе заменяется серебром, является наиболее часто используемым относительно всех других видов. Эта модификация отлично поддается пайке. В наплавленном состоянии он обладает хорошим свойством прочности и другими механическими характеристиками. Вещество начинает плавиться при достижении отметки в двести двадцать градусов по Цельсию. Данная модификация бессвинцового припоя в некоторых случаях способно посоревноваться в характеристиках с классическим свинцовым расходным материалом.
4. Оловянный припой с двумя дополнительными химическими элементами в составе в виде серебра и меди. Данную версию бессвинцового припоя стали использовать самой первой. Она обладает невысокой отметкой температурного плавления. Значительный процент, который принимает значения в девяносто, в составе занимается оловом. Соединения, созданные с применения данного подвида бессвинцового припоя, обладают достаточно высокими механическими свойствами. Данный тип, если сравнивать с двумя вышеописанными, является наиболее лучшим вариантом с экономической точки зрения.
5. В качестве дополнительных элементов используются висмут и серебро. Этот тип, относительно всех вышеописанных, обладает самой низкой температурной отметкой плавления. Это свойство значительно сужает спектр применения данного материала. Из всех видов бессвинцовых припоев, этот лучше всего поддается спаиванию.

К мягким относятся припои с температурой плавления до 300 °C, к твёрдым — свыше 300 °C. Кроме того, припои существенно различаются по механической прочности. Мягкие припои имеют предел прочности при растяжении 16—100 МПа, а твёрдые — 100—500 МПа.

ПОС-15 — 280 °C.

ПОС-25 — 260 °C.

ПОС-33 — 247 °C.

ПОС-40 — 238 °C[3]

ПОС-61 — 183 °C[3]

ПОС-90 — 220 °C[3]

Припои ПОС-61 и ПОС-63 плавятся при постоянной температуре 183 °C, так как их состав практически совпадает с составом эвтектики олово-свинец.

Кроме этих составов в качестве мягких припоев используются также:

• сурьмянистые припои (ПОССу), применяемые при пайке оцинкованных и цинковых изделий и повышенных требованиях к прочности паяного соединения,
• оловянно-свинцово-кадмиевые (ПОСК) для пайки деталей, чувствительных к перегреву и пайки выводов к конденсаторам и пьезокерамике,
• оловянно-цинковые (ОЦ) для пайки алюминия,
• бессвинцовые припои, содержащие наряду с оловом медь, серебро, висмут и др. металлы.

Твёрдые припои

ПСр-10 — 830 °С.ПСр-12 — 785 °С.ПСр-25 — 765 °С.ПСр-45 — 720 °С.ПСр-65 — 740 °С.ПСр-70 — 780 °С.ПМЦ-36 — 825 °С.ПМЦ-42 — 833 °С.ПМЦ-51 — 870 °С

Широко применяются медно-фосфористые припои. К медно-фосфористым припоям относятся сплавы меди, олова с добавками фосфора. Такие припои применяются при пайке меди, медных сплавов, серебра, чугуна, твердых сплавов.

П81 — 660 °СП14 — 680 °СМФ7 — 820 °СП47 — 810 °С

Серебряные припои

Серебряные припои имеют температуру плавления от 183 до 1133 °С и представляют собой сплавы серебро-свинец-олово; серебро-свинец; серебро-медь; серебро-медь-цинк; серебро-медь-цинк-кадмий; и т. д.

Серебряные припои имеют достаточно широкую область применения:

• лужение и пайка меди, медно-никелевых сплавов, никеля, ковара, нейзильбера, латуней и бронз;
• пайка железоникелевых сплавов с посеребренными деталями из стали;
• пайка стали с медью, никелем, медными и медно-никелевыми сплавами;
• пайка меди с никелированным вольфрамом;
• пайка титана и титановых сплавов с нержавеющей сталью;
• пайка меди и медных сплавов с жаропрочными сплавами и нержавеющими сталями;
• пайка меди и латуни с коваром, никелем, с нержавеющими сталями и жаропрочными сплавами, пайка свинцово-оловянистых бронз;
• пайка и лужение меди, никеля, медных и медно-никелевых сплавов с посеребренной керамикой, пайка посеребренных деталей;
• пайка меди и никеля со стеклоэмалью и керамикой;
• пайка и лужение ювелирных изделий;
• пайка меди с бронзой, меди с медью, бронзы с бронзой;
• пайка меди, медных сплавов и сталей по свежеосаждённому медному гальваническому покрытию толщиной не менее 10 мкм;
• пайка и лужение цветных металлов и сталей;
• пайка и лужение серебряных деталей.

Химический состав и физические характеристики бессвинцовых припоев популярных производителей

В связи с повышением внимания общества к вопросам экологии теперь при выборе припоев более серьёзно учитывают токсичность его компонентов. В электротехнике и электронике (особенно в бытовой) всё чаще используют бессвинцовые припои.

Уход от свинцовосодержащих припоев также обусловлен негативным влиянием свинца на прочность соединения с контактами, покрытыми золотом.[4]

Производством бессвинцового припоя занимается достаточно большое число разнообразных производителей. Стоит поподробнее рассмотреть химический состав и физические свойства наиболее популярных брендов.

Indalloy 227 – основным назначением данной модели припоя является пайка бессвинцовых материалов и печатных плат. Вещество начинает плавиться при достижении температурной отметки в 187 градусов по Цельсию. Состав выглядит следующим образом (значения в процентах):

• Sn – 77.2;
• In – 20;
• Ar – 2.8.

Alloy H – использования данного припоя в процессе пайки, требует применять метод «волны». Данное вещество категорически нельзя применять для пайки с содержанием свинца и висмута. Оно подвергается плавлению при достижении температурной отметки в 212 градусов по Цельсию. Химический состав выглядит так:

• Sn – 84.5;
• Bi – 7.5;
• Cu – 5;
• Ar – 2.

Castin – при спаивании чего-либо данным припоем требуется использование повышенных температур. Материал начинает плавиться при достижении температурной отметки в 215 градусов по Цельсию. В химический состав припоя входят следующие вещества:

• Sn – 96.2;
• Ar – 2.5;
• Cu – 0.8
• Sb – 0.5.

Tin Silver-Copper – при совершении пайки с помощью данного припоя требуется использовать температуру равную значению 260 градусов по Цельсию и выше. Вещество подвергается плавлению при достижении отметки в 217 градусов по Цельсию. Химический состав включает в себя три химических элемента и выглядит следующим образом:

• Sn – 93.6;
• Ar – 4.7;
• Cu – 1.7.

Как выбрать?

Выбирать ту или иную модель бессвинцового припоя следует исходя из его химического состава. Чаще всего в химическом составе бессвинцового припоя преобладает олово, в связи с этим характеристики данного металла в большей степени, нежели чем свойства других передаются расходному материалу. Соответственно это влияет на мягкость итогового результата соединения – она достаточно высокая. Помимо этого у него значительно снижается значение температурной точки, при достижении которой материал начинает подвергаться плавлению.

Важно знать: в том случае, если в ассортименте магазина вам не удалось найти нужную модель бессвиноцового припоя, то в качестве заменителя можно использовать отечественный продукт ПСР 45, стоит отметить, что в его составе присутствует незначительная доля свинца, которая равна примерно половине одного процента от общего состава.

Чем больше меди содержится в составе бессвинцового припоя, тем выше его температура плавления, а, следовательно, и твердость. Всего лишь пары процентов от общего состава достаточно для того, чтобы кардинально изменить характеристики материала.

Серебро придает припою точно такие же свойства, как и медь, однако делает это в более мягком режиме. В связи с эти бессвинцовый припой с содержанием серебра продается по несколько большей цене, нежели медные варианты. Расходные материалы с содержанием редких материалов, таких как висмут и сурьма, предназначаются для сложных частных случаев и используются достаточно редко. Их цена самая высокая относительно всех других версий бессвинцого припоя.

Многие люди могут задаться вопросом: «Как выполняется пайка с использование припоя без свинца в качестве расходного материала. Стоит сказать, что процедура практически ничем не отличается от пайки с использованием классического припоя с содержанием свинца.

Предварительно нужно провести очистку рабочей поверхности и полностью высушить ее. Для этого без проблем можно использовать практически любой растворитель. Далее нужно расплавить припой на рабочую зону пайки. После чего ему необходимо самостоятельно остыть при комнатной температуре. Следующим шагом будет являться проверка получившегося соединения на прочность и качество. Основной отличительной особенностью использования бессвинцового припоя в отличие от классического, является использование особого режима подогрева.

Паяльные пасты

Развитие автоматизированной технологии для изготовления электронных плат обусловило появление нового типа припоев: так называемых паяльных паст, пригодных как для обычной, так и трафаретной пайки элементов электронных схем. Паяльные пасты представляют собою дисперсную смесь, в которой дисперсной фазой являются микро- и наноразмерные частицы припоя, иногда твёрдых компонентов флюса, а диспергирующей средой являются жидкие компоненты флюса и летучие органические растворители.

Прочие

Не относящиеся к собственно припоям особые виды металлических сплавов применяются в электровакуумной технике для электрических вводов, вплавляемых в стекло и работающих при сравнительно низких температурах, когда использование здесь тугоплавких, но относительно дорогих металлов (вольфрам, молибден, платина) не требуется.

Для этих материалов особую важность имеет температурный коэффициент линейного расширения (αl{displaystyle alpha _{l}}), который для получения вакуум-плотного ввода должен как можно точнее согласовываться с αl{displaystyle alpha _{l}} стекла. Например, ковар (марка сплава 29НК), применяемый для изготовления электрических выводов через стеклянные колбы различных газонаполненных и электровакуумных электронных приборов и осветительных ламп имеет примерный состав: Ni — 29 %, Со — 18 %, Fе — остальное; его удельное сопротивление около 0,49 мкОм·м, а αl{displaystyle alpha _{l}} около 4…5·10−6 К−1.